JPH0414283B2 - - Google Patents

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JPH0414283B2
JPH0414283B2 JP13901684A JP13901684A JPH0414283B2 JP H0414283 B2 JPH0414283 B2 JP H0414283B2 JP 13901684 A JP13901684 A JP 13901684A JP 13901684 A JP13901684 A JP 13901684A JP H0414283 B2 JPH0414283 B2 JP H0414283B2
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surface roughness
signal
measured
reference mirror
optical system
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Koji Nakazawa
Yoshitada Oshida
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Hitachi Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は光学式表面粗さ計に係り、特に光学部
品等の表面粗さを非接触で高精度に測定すること
を志向した光学式表面粗さ計に関するものであ
る。
[Detailed Description of the Invention] [Field of Application of the Invention] The present invention relates to an optical surface roughness meter, and in particular to an optical surface roughness meter intended for non-contact and highly accurate measurement of the surface roughness of optical components. It is related to the meter.

〔発明の背景〕[Background of the invention]

まず、従来の光学部品等の表面粗さの測定手段
を説明する。
First, a conventional means for measuring surface roughness of optical components and the like will be explained.

従来、光学部品等の測定物の表面形状や粗さを
測定するには、触針式表面粗さ計を用いていた
が、触針(ダイヤモンド)で直接測定物の表面を
こするために、該測定物の表面にはミクロ的に見
ると傷が付いてしまうという問題点があつた。こ
れを防止する対策として、光学的に非接触で測定
面と参照面との反射光を干渉させこの干渉縞から
測定の凹凸すなわち表面形状を測定する方法が試
みられている(FrancisA.Jenkins他:
Fundamentals of Optics ,Mc Gram Hill−
Kogakusha,1976)。
Conventionally, stylus-type surface roughness meters have been used to measure the surface shape and roughness of objects to be measured, such as optical parts. There was a problem in that the surface of the object to be measured was scratched when viewed microscopically. As a countermeasure to prevent this, a method has been attempted in which the reflected light from the measurement surface and the reference surface is interfered without optical contact, and the unevenness of the measurement, that is, the surface shape, is measured from this interference fringe (Francis A. Jenkins et al.:
Fundamentals of Optics, Mc Gram Hill
Kogakusha, 1976).

このような干渉縞から測定面の表面粗さを測定
する方法と、その問題点を図面を用いて説明す
る。
A method of measuring the surface roughness of a measurement surface from such interference fringes and its problems will be explained using drawings.

第2図は、従来の干渉縞測定方法を説明するた
めの要部断面図、第3図は、第2図に係る測定方
法で観察した干渉縞模様図、第4図は、第3図に
係る干渉縞の理想的な明暗の時間的変化図、第5
図は、第3図に係る干渉縞の明暗におよぼす外来
振動の影響図である。
Fig. 2 is a sectional view of the main part for explaining the conventional interference fringe measurement method, Fig. 3 is an interference fringe pattern observed by the measurement method according to Fig. 2, and Fig. 4 is the same as Fig. 3. Ideal brightness/dark temporal change diagram of such interference fringes, No. 5
The figure is a diagram showing the influence of external vibration on the brightness of the interference fringes shown in FIG. 3.

第2図において、9は測定物、10は、X方向
に移動可能な参照ミラ固定ステージ、10aによ
つて保持された参照ミラ、5はハーフミラであ
り、照明光3はハーフミラ5で反射して測定物
9、参照ミラ10を照らす。測定物9と参照ミラ
10からの反射光4は互に干渉し、ハーフミラ5
を透過してモニタされる。この干渉縞は、例えば
第3図のように見える。同図中A,B点の光強度
をそれぞれIA,IBとし、いま参照ミラ10をX方
向に一定速度でゆつくりとモータ等で移動させる
ことにより光路長を変化させていくとIA,IBは時
間tまたは変位Xとともに理想的には第4図のご
とく変化すると考えられる。すなわち、Inioで干
渉縞は最も明るく見え、Inioで干渉縞は最も暗く
見える。しかし、実際には測定光学系の周囲から
の外来振動により、前記干渉縞の光強度Iは第5
図の実線のごとく変化し、理想的な波形(同図中
2点鎖線)とは異なる。この外来振動の周波数成
分は、測定光学系の防振台の上にのせた場合で
も、数10Hz以下の振動が無視できなくなり、測定
分解能を0.1μm以下に向上させようとしても再現
性のある測定ができず、また測定面分解能も0.1
mm程度が限界であつた。
In FIG. 2, 9 is an object to be measured, 10 is a reference mirror fixed stage movable in the X direction, a reference mirror held by 10a, 5 is a half mirror, and the illumination light 3 is reflected by the half mirror 5. The object to be measured 9 and the reference mirror 10 are illuminated. The reflected light 4 from the measurement object 9 and the reference mirror 10 interfere with each other, and the half mirror 5
be monitored through the This interference fringe looks like, for example, FIG. 3. Let the light intensities at points A and B in the figure be I A and I B , respectively, and change the optical path length by slowly moving the reference mirror 10 in the X direction at a constant speed using a motor, etc. , I B are thought to ideally change with time t or displacement X as shown in FIG. That is, the interference fringes appear brightest at I nio , and the interference fringes appear darkest at I nio . However, in reality, due to external vibrations from the surroundings of the measurement optical system, the light intensity I of the interference fringes is
The waveform changes as shown by the solid line in the figure, and differs from the ideal waveform (double-dashed line in the figure). The frequency components of this external vibration cannot be ignored even when placed on the vibration isolation table of the measurement optical system, and vibrations of several tens of Hz or less cannot be ignored, and even if the measurement resolution is improved to 0.1 μm or less, reproducible measurements cannot be achieved. and the measurement surface resolution is 0.1.
The limit was about mm.

光路長を変化させる手段としては、前述した参
照ミラ固定ステージ10aを直接移動させる方法
の他に、光路中に楔形プリズムを挿入し、この楔
形プリズムを該光路と直角方向にモータ等により
移動させる方法も知られている(特願昭57−
168313号)。この方法を用いると、前記した第2
図に係る方法に比べて、光路長の変化量を極めて
高精度化できるものの、外来振動の影響による測
定精度の劣化はやはりまぬがれることができない
という問題点が残つた。
As means for changing the optical path length, in addition to the above-mentioned method of directly moving the reference mirror fixed stage 10a, there is a method of inserting a wedge-shaped prism into the optical path and moving this wedge-shaped prism in a direction perpendicular to the optical path using a motor or the like. It is also known (Special application 1987-
No. 168313). Using this method, the second
Compared to the method shown in the figure, although the amount of change in optical path length can be made extremely accurate, the problem remains that measurement accuracy cannot be avoided due to the influence of external vibrations.

また従来の干渉縞測定方法においては、2個の
干渉縞の位相関係を測定するのに、最も暗くなる
点(第4図のIAnio、IBnio)を基準にして相互間の
位相差δXを検出していた。ところがInio(または
Inac)の点を検出する精度は、∂I/∂t(または
∂I/∂x)がその近傍で0となる状態であるから、
最も検出精度が悪いという不具合があつた。した
がつてδX(第4図)の検出分解能は0.1μm程度が
限界であつた。
In addition, in the conventional interference fringe measurement method, in order to measure the phase relationship between two interference fringes, the phase difference δ was detected. However, I nio (or
The accuracy of detecting the point I nac ) is when ∂I/∂t (or ∂I/∂x) becomes 0 in its vicinity, so
The problem was that the detection accuracy was the worst. Therefore, the detection resolution of δX (FIG. 4) had a limit of about 0.1 μm.

さらにまた、第5図のようなノイズの重畳した
波形(サンプリングデータ)から基本周波数成分
の波形を抽出する方法として、高速フーリエ変換
等の手法もあるが、その演算時間がぼう大になる
ため、この手法を適用して測定物9の表面粗さを
測定しようとしても、リアルタイムで実施するこ
とができないという問題点もあつた。
Furthermore, as a method for extracting the fundamental frequency component waveform from the noise-superimposed waveform (sampling data) as shown in Figure 5, there are methods such as fast Fourier transform, but since the calculation time is long, Even if this method was applied to measure the surface roughness of the object 9 to be measured, there was a problem in that it could not be carried out in real time.

〔発明の目的〕[Purpose of the invention]

本発明は、上記した従来技術の問題点を改善し
て、外来振動の影響を受けることなく、非接触で
高精度に、しかもリアルタイムで表面粗さの測定
を可能とする光学式表面粗さ計の提供をその目的
とするものである。
The present invention improves the problems of the conventional technology described above and provides an optical surface roughness meter that is capable of measuring surface roughness non-contact, highly accurately, and in real time without being affected by external vibrations. Its purpose is to provide the following.

〔発明の概要〕[Summary of the invention]

本発明は、上記目的を達成するために、参照ミ
ラと測定物との各々に垂直に単一波長の可干渉光
を照射させる可干渉光照射光学系と、前記参照ミ
ラを、外来振動の振動周波数より高い周波数で光
軸方向に一次元に振動させる振動付与手段と、該
振動付与手段で振動し、且つ前記可干渉光照度光
学系によつて照射された参照ミラからの反射光と
前記可干渉光照射光学系によつて照射された測定
物からの反射光との干渉によつて生じる干渉縞の
光像を検出する検出光学系と、該検出光学系で検
出された干渉縞の光像を受光して画素毎に周期性
を有する信号に変換して出力する多画素イメージ
センサと、前記参照ミラの振動にともなつて前記
多画素イメージセンサの各画素から出力される周
期性を有する信号から基本周波数成分の信号を抽
出し、この抽出された基本周波数成分の信号につ
いての多画素イメージセンサにおける隣接する画
素間の位相差δtを測定物の表面に亘つて検出し、
該測定物の表面に亘つて検出される位相差δtにつ
いて、δt/T×λ/2の関係式(Tは前記基本周
波数成分の信号の周期、λは前記可干渉光の波
長)に基づく演算を施して測定物の表面粗さを測
定する演算処理手段とを備えたことを特徴とする
光学式表面粗さ計である。
In order to achieve the above object, the present invention provides a coherent light irradiation optical system that irradiates coherent light of a single wavelength perpendicularly to each of a reference mirror and a measurement object, and a coherent light irradiation optical system that irradiates a reference mirror and a measurement object with coherent light of a single wavelength. vibration imparting means for one-dimensionally vibrating in the optical axis direction at a frequency higher than the frequency; and the coherent light reflected from the reference mirror that is vibrated by the vibration imparting means and irradiated by the coherent light illumination optical system. a detection optical system that detects an optical image of interference fringes caused by interference with the reflected light from the measurement object irradiated by the light irradiation optical system; A multi-pixel image sensor that receives light, converts it into a signal with periodicity for each pixel, and outputs it, and a signal with periodicity that is output from each pixel of the multi-pixel image sensor as the reference mirror vibrates. extracting a fundamental frequency component signal, detecting a phase difference Δt between adjacent pixels in the multi-pixel image sensor for the extracted fundamental frequency component signal over the surface of the measurement object;
Calculation of the phase difference δt detected over the surface of the object to be measured based on the relational expression δt/T×λ/2 (T is the period of the signal of the fundamental frequency component, λ is the wavelength of the coherent light) This is an optical surface roughness meter characterized by comprising: arithmetic processing means for measuring the surface roughness of a measured object by subjecting the object to surface roughness.

更に詳しくは、外来振動の影響を受けないよう
に、問題となる外来振動(主に数10Hz以下)の振
動周波数より高い周波数で参照ミラを、光路長を
変化せしめるように光軸方向に一次元に振動させ
る振動付与手段を設け、参照ミラの振動にともな
つて多画素イメージセンサの各画素から出力され
る周期性を有する信号の基本周波数成分を外来振
動による周波数成分より著しく高くして多画素イ
メージセンサの隣接する画素間の位相差δtを弁別
して検出できるようにしたことにある。また、演
算処理手段において、画素間の位相差δtを、多画
素イメージセンサの各画素から出力される周期性
を有する信号から抽出される基本周波数成分の信
号の変化率が大きな個所で検出するようにして高
精度の面粗さの測定を可能にしたことにある。ま
た、高精度の基準の測定物を用いて、その面粗さ
Doを測定し、その後測定物を用いてその面粗さ
DMを測定し、この測定された面粗さDMを前記
測定された面粗さDoで補正することにより、更
に高精度の面粗さを測定することができる。
More specifically, in order to avoid the influence of external vibrations, the reference mirror is moved one-dimensionally in the optical axis direction to change the optical path length at a frequency higher than the vibration frequency of the problematic external vibrations (mainly several tens of Hz or less). A vibration imparting means is provided to vibrate the reference mirror, and the fundamental frequency component of the periodic signal output from each pixel of the multi-pixel image sensor is significantly higher than the frequency component due to external vibration as the reference mirror vibrates. The objective is to be able to distinguish and detect the phase difference Δt between adjacent pixels of the image sensor. In addition, the arithmetic processing means detects the phase difference δt between pixels at locations where the rate of change of the fundamental frequency component signal extracted from the periodic signal output from each pixel of the multi-pixel image sensor is large. The reason is that it has made it possible to measure surface roughness with high precision. In addition, using a high-precision standard measurement object, the surface roughness
Do is measured, and then the surface roughness is measured using the object to be measured.
By measuring DM and correcting the measured surface roughness DM with the measured surface roughness Do, it is possible to measure the surface roughness with even higher accuracy.

〔発明の実施例〕[Embodiments of the invention]

以下、本発明を実施例によつて説明する。 Hereinafter, the present invention will be explained with reference to Examples.

第1図は、本発明の一実施例に係る光学式表面
粗さ計を示す略示図、第6図は、第1図における
多画素イメージセンサの出力の信号処理回路図で
ある。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical surface roughness meter according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a signal processing circuit diagram of the output of the multi-pixel image sensor in FIG. 1.

第1図において、1は、レーザまたは照明ラン
プにフイルタを取付けた照明光学系、2は、コリ
メータなどの照明レンズ系、11はビームスプリ
ツタ、12−1,12−2は、いずれも対物レン
ズ、14は、その先端に参照ミラ13を取付け
た、高速駆動手段に係るピエゾ素子であり、この
ピエゾ素子14、参照ミラ13を光軸方向に高速
駆動(たとえば500Hz、振動5μm)することによ
り、光路長を変化させるものである。22は、多
数の受光素子が一次元的に配列されたエリアセン
サ(CCD、CCPDなど)、TVカメラなどの多画
素イメージセンサであり、この多画素イメージセ
ンサ22の出力の信号処理回路については、第6
図を用いて後述する。20は中間レンズ、21は
撮影レンズである。なお参照ミラ13側の対物レ
ンズ12−1の倍率は、測定物15側の対物レン
ズ12−2の倍率よりも低倍率にすることがで
き、また、これら対物レンズ12−1,12−2
および中間レンズ20、撮影レンズ21は、いず
れも複数枚のレンズから構成することができる。
In FIG. 1, 1 is an illumination optical system in which a filter is attached to a laser or an illumination lamp, 2 is an illumination lens system such as a collimator, 11 is a beam splitter, and 12-1 and 12-2 are objective lenses. , 14 is a piezo element related to high-speed driving means, which has a reference mirror 13 attached to its tip. By driving this piezo element 14 and reference mirror 13 at high speed in the optical axis direction (for example, 500 Hz, vibration 5 μm), This changes the optical path length. 22 is a multi-pixel image sensor such as an area sensor (CCD, CCPD, etc.) in which a large number of light-receiving elements are arranged one-dimensionally, a TV camera, etc. The signal processing circuit for the output of this multi-pixel image sensor 22 is as follows. 6th
This will be described later using figures. 20 is an intermediate lens, and 21 is a photographing lens. Note that the magnification of the objective lens 12-1 on the side of the reference mirror 13 can be made lower than the magnification of the objective lens 12-2 on the side of the measurement object 15, and these objective lenses 12-1, 12-2
Both the intermediate lens 20 and the photographing lens 21 can be composed of a plurality of lenses.

16は、測定物15をその上に載置し、付属の
位置決め調整装置(図示せず)によつて該測定物
15の高さ方向、横方向の位置決めと、あおり調
整ができるようになつているステージ、17は、
このステージ16を載置固定し、モータ18によ
つて送り駆動される駆動テーブル、19は前記光
学系全体を載置する防振台である。
Reference numeral 16 is such that the object 15 to be measured is placed thereon, and the positioning and tilting of the object 15 can be adjusted in the height and lateral directions using an attached positioning and adjusting device (not shown). Stage 17 is
A drive table 19 on which the stage 16 is placed and fixed and is driven and fed by a motor 18 is a vibration isolation table on which the entire optical system is placed.

次に、前記多画素イメージセンサ22からの出
力の信号処理回路を、第6図を用いて説明する。
Next, a signal processing circuit for the output from the multi-pixel image sensor 22 will be explained using FIG. 6.

25は、多画素イメージセンサ22のi番目
(i=1,2,3,…)の素子出力とi+1番目
の素子出力を取出すアナログマルチプレクサ、2
6−1,26−2は、いずれもアンプ(もしくは
バツフア)、28−1,28−2は、いずれもバ
ンドパスフイルタ(略してBPF)(もしくはハイ
パスフイルタ(略してHPF))、30−1,30
−2は基準値設定部、30−1,31−2はコン
パレータ、32は理論演算回路、33はデジタル
演算回路、35はメモリ、36は減算回路、37
はDA変換器である。
25 is an analog multiplexer that takes out the i-th (i=1, 2, 3, ...) element output and the i+1-th element output of the multi-pixel image sensor 22;
6-1 and 26-2 are both amplifiers (or buffers), 28-1 and 28-2 are both band-pass filters (BPF for short) (or high-pass filters (HPF for short)), 30-1 ,30
-2 is a reference value setting unit, 30-1 and 31-2 are comparators, 32 is a theoretical calculation circuit, 33 is a digital calculation circuit, 35 is a memory, 36 is a subtraction circuit, 37
is a DA converter.

このように構成した光学式表面粗さ計によつて
測定物15の表面粗さを測定する方法を説明す
る。
A method for measuring the surface roughness of the object to be measured 15 using the optical surface roughness meter configured as described above will be explained.

測定手順としては、最初に表面粗さや形状精度
の非常に良い完全鏡面に近い測定物を用いて光学
系の歪による演算出力DO(詳細後述)を全測定範
囲について求めておく。次に、実際に測定したい
測定物15を用いて演算出力DMを得る。第6図
に示すように、メモリ35にメモリされたこれら
2出力DO,DMを次段の減算回路36においてDM
−DOの減算を行ない、これにより測定物15の
表面粗さがデジタル的に出力される。これをDA
変換器37に通して該表面粗さがアナログ信号
Voutとして得られるものである。
As for the measurement procedure, first, using a measurement object that is close to a perfect mirror surface with very good surface roughness and shape accuracy, the calculation output D O (details will be described later) due to distortion of the optical system is determined for the entire measurement range. Next, a calculation output DM is obtained using the measurement object 15 that is actually desired to be measured. As shown in FIG .
-D O is subtracted, and the surface roughness of the measurement object 15 is thereby output digitally. DA this
The surface roughness is converted into an analog signal through a converter 37.
This is obtained as Vout.

前記DOの演算もDMの演算も同一の手順で行な
うわけであるが、以下実際に測定したい測定物1
5について上記演算出力DMを得るための手順を、
図面を用いて説明する。
The calculations for D O and D M are performed using the same procedure, but below is the measurement object 1 that you actually want to measure.
Regarding 5, the procedure for obtaining the above calculation output D M is as follows:
This will be explained using drawings.

第7図は、第1図における多画素イメージセン
サの一素子に結像される干渉縞の出力を模式的に
示す出力特性図、第8図は、第6図におけるバン
ドパスフイルタ通過後の出力図、第9図は、第6
図におけるコンパレータ通過後の出力図、第10
図は、第6図におけるピエゾ素子の振動波形図で
ある。
Fig. 7 is an output characteristic diagram schematically showing the output of interference fringes imaged on one element of the multi-pixel image sensor in Fig. 1, and Fig. 8 is an output characteristic diagram after passing through the bandpass filter in Fig. 6. Figure 9 is the 6th
Output diagram after passing through the comparator in Figure 10
The figure is a vibration waveform diagram of the piezo element in FIG. 6.

まず、測定物15をステージ16上に載置する
と、前記位置決め調整装置によつて、対物レンズ
12−2に対する焦点合わせと光軸に対する傾き
角の調整とが行なわれる。
First, when the object to be measured 15 is placed on the stage 16, the positioning and adjusting device focuses the objective lens 12-2 and adjusts the tilt angle with respect to the optical axis.

照明用光源1からでた光は照明レンズ系2を通
り、ビームスプリツタ11で透過光3−1と反射
光3−2とに分れる。透過光3−1は対物レンズ
12−1を通つて、ピエゾ素子14の先端に取付
けられた参照ミラ13に入射し、一方反射光3−
2は対物レンズ12−2を通つて測定物15に入
射する。前記参照ミラ13は光軸方向に、ピエゾ
素子14によつて高速駆動されている。
Light emitted from an illumination light source 1 passes through an illumination lens system 2 and is split by a beam splitter 11 into transmitted light 3-1 and reflected light 3-2. The transmitted light 3-1 passes through the objective lens 12-1 and enters the reference mirror 13 attached to the tip of the piezo element 14, while the reflected light 3-1
2 enters the measurement object 15 through the objective lens 12-2. The reference mirror 13 is driven at high speed by a piezo element 14 in the optical axis direction.

参照ミラ13、測定物15からの反射光はビー
ムスプリツタ11でそれぞれ反射、透過後、互に
干渉する。この光は中間レンズ20、撮影レンズ
21を透過後、多画素イメージセンサ22に上記
干渉縞を結像する。
The reflected lights from the reference mirror 13 and the measurement object 15 are reflected and transmitted by the beam splitter 11, respectively, and then interfere with each other. After passing through the intermediate lens 20 and the photographing lens 21, this light forms an image of the interference fringes on the multi-pixel image sensor 22.

この場合、問題となつている外来振動の周波数
が1Hz、振幅が0.5μmとする振動速度は約3μm/
sとなり、これによつて生じる、ある測定点の干
渉光の周波数成分は、照明光の波長λを0.6μmと
すると約10Hzとなり、測定光学系を静止させた状
態でも、これだけの干渉光のゆらぎを生じる。こ
れに対して、本実施例では、ピエゾ素子14を光
軸方向に、例えば500Hz、振幅5μmで、第10図
に示すような鋸歯状波で駆動して参照ミラ13を
振動させると、振動速度は約2.5mm/sとなり、
干渉光の周波数成分は約8KHzとなる。従つて、
測定物15の特定の測定点に対応した多画素イメ
ージセンサ22の画素iに結像される干渉光の出
力信号Iは、第7図に示すように、参照ミラ13
の振動(光路長変化量xまたは時間t)に伴つて
約8KHzの基本周波数成分を有する波形として検
出され、外来振動は約10Hzであることからして上
記干渉光の出力信号Iの周期Tに対して約1/800
の変化として検出されることになる。
In this case, assuming that the external vibration in question has a frequency of 1 Hz and an amplitude of 0.5 μm, the vibration speed is approximately 3 μm/
s, and the resulting frequency component of the interference light at a certain measurement point is approximately 10Hz, assuming that the wavelength λ of the illumination light is 0.6 μm, and even when the measurement optical system is stationary, the interference light will fluctuate to this extent. occurs. On the other hand, in this embodiment, when the reference mirror 13 is vibrated by driving the piezo element 14 in the optical axis direction with a sawtooth wave as shown in FIG. 10 at, for example, 500 Hz and an amplitude of 5 μm, the vibration speed is approximately 2.5mm/s,
The frequency component of the interference light is approximately 8KHz. Therefore,
As shown in FIG.
It is detected as a waveform having a fundamental frequency component of about 8KHz along with the vibration (optical path length change x or time t), and since the external vibration is about 10Hz, the period T of the output signal I of the interference light is Approximately 1/800
This will be detected as a change in .

このことを、第6,8,9図を用いて説明する
と、アナログマルチプレクサ25により、多画素
イメージセンサ22のi番目(i=1,2,…)
の素子出力とi+1番目の素子出力を取り出し、
それぞれアンプ26−1,26−2を通過後、ア
ンプ出力27をバンドパスフイルタ28−1,2
8−2により、第7図に示すように参照ミラの振
動にともなつて各素子(画素)から出力される周
期性を有する信号から基本周波数成分の信号を抽
出するとその出力29−1,29−2は、第8図
に示すように、それぞれVi、Vi+1となる。こ
こでは直流成分は除去され、出力Viの正の値の
時間的積分値と負の値の時間的積分値は等しくな
る。コンパレータ31−1、31−2で出力Vi、
Vi+1をそれぞれ基準値設定部30−1,30
−2に設定した基準値と比較すると、第9図に示
すような矩形波CPi、CPi+1がそれぞれ得られ
る。コンパレータの基準値は一般にはOVでよい
(すなわち∂Vi/∂t,∂Vi+1/∂tが最大となる
ところ)。
To explain this using FIGS. 6, 8 and 9, the analog multiplexer 25 selects the i-th (i=1, 2,...) of the multi-pixel image sensor 22.
Take out the element output and the i+1th element output,
After passing through amplifiers 26-1 and 26-2, the amplifier output 27 is passed through bandpass filters 28-1 and 28-2.
8-2, when the fundamental frequency component signal is extracted from the periodic signal output from each element (pixel) as the reference mirror vibrates as shown in FIG. 7, the outputs 29-1, 29 -2 becomes Vi and Vi+1, respectively, as shown in FIG. Here, the DC component is removed, and the time integral value of the positive value and the time integral value of the negative value of the output Vi become equal. Output Vi from comparators 31-1 and 31-2,
Vi+1 is the reference value setting section 30-1, 30, respectively.
When compared with the reference value set to -2, rectangular waves CPi and CPi+1 as shown in FIG. 9 are obtained, respectively. The reference value of the comparator may generally be OV (that is, the point where ∂Vi/∂t, ∂Vi+1/∂t is maximum).

次に論理演算回路32により、第9図における
2個の矩形波CPi,CPi+1の位相差δtに相当す
る矩形波を取出す。第9図では矩形波CPi,CPi
+1の立上り部分でδtを取出しているが、立下り
部分でも取出すことができる。矩形波δtと基準ク
ロツクパルスfOの論理積をとりカウンタでカウン
トすれば、δtに相当するデジタル出力D(δt)が
得られる。同様に矩形波CPi、CPi+1の周期T
または半周期T/2に相当する矩形波と基準クロ
ツクパルスfOの論理積をとりカウンタでカウント
すればTまたはT/2に相当するデジタル出力が
得られる。第6図に係る信号処理回路では、T/
2に相当するデジタル出力D(T/2)である。
次にデジタル演算回路33により、 λ/4×δt/T/2 ……(1) の掛算、割算を行なう。このようにして得られた
ものは、測定物15表面のi番目の点とi+1番
目の点との間の段差である。ただしλは光の波長
である。または、 により平均化出力を得ることもできる。上記演算
はデジタル演算回路33で行なつているが、アナ
ログ演算回路を用いてもできることは言うまでも
ない。
Next, the logic operation circuit 32 extracts a rectangular wave corresponding to the phase difference δt between the two rectangular waves CPi and CPi+1 in FIG. In Figure 9, the square waves CPi, CPi
Although δt is extracted at the rising edge of +1, it can also be extracted at the falling edge. If the rectangular wave δt and the reference clock pulse f O are ANDed and counted by a counter, a digital output D (δ t ) corresponding to δ t can be obtained. Similarly, the period T of the rectangular waves CPi and CPi+1
Alternatively, if the rectangular wave corresponding to half period T/2 and the reference clock pulse f O are ANDed and counted by a counter, a digital output corresponding to T or T/2 can be obtained. In the signal processing circuit according to FIG.
The digital output D(T/2) corresponds to 2.
Next, the digital arithmetic circuit 33 performs multiplication and division of λ/4×δt/T/2 (1). What is thus obtained is a step between the i-th point and the i+1-th point on the surface of the measurement object 15. However, λ is the wavelength of light. or It is also possible to obtain an averaged output. Although the above calculation is performed by the digital calculation circuit 33, it goes without saying that it can also be performed by using an analog calculation circuit.

上記(1)または(2)式の演算が終了すると、演算終
了信号(クロツクパルス)34によりマルチプレ
クサ25のチヤンネルがi+1、i+2に順次切
換えられる。一方、上記演算出力は演算終了信号
34によりメモリ35に記憶される。
When the calculation of equation (1) or (2) above is completed, the channel of the multiplexer 25 is sequentially switched to i+1 and i+2 by the calculation end signal (clock pulse) 34. On the other hand, the above calculation output is stored in the memory 35 by the calculation end signal 34.

多画素イメージセンサ22の全測定範囲につい
て上記演算およびメモリが終了したら、送りテー
ブル17がモータ18により必要量だけ送られ同
様な測定が繰返され、演算出力DMが測定物15
の表面の全測定範囲について求まる。前述したよ
うに、完全鏡面に近い測定物について予め求めて
あるDOとの減算DM−DOが減算回路36で行なわ
れ、これがDA変換器37へ通され、測定物15
の表面粗さがアナログ信号Voutとして得られる。
When the above calculation and memory are completed for the entire measurement range of the multi-pixel image sensor 22, the feed table 17 is fed by the necessary amount by the motor 18, the same measurement is repeated, and the calculation output D M is transferred to the measurement object 15.
is calculated for the entire measurement range of the surface of As mentioned above, the subtraction circuit 36 performs subtraction D M -D O with D O obtained in advance for the object to be measured that is close to a perfect mirror surface, and this is passed to the DA converter 37 to convert the object 15 to the object to be measured.
The surface roughness of is obtained as an analog signal Vout.

なお、第6図に係る信号処理回路においては
δt,T/2の測定時間と、前記(1),(2)式の演算時
間との関係は、第10図に示すように、ピエゾ素
子14の振動の往行程が測定時間、復行程が演算
時間となるようにしているので、表面粗さのリア
ルタイム測定が可能である。具体例を説明する。
In addition, in the signal processing circuit according to FIG. 6, the relationship between the measurement time of δ t and T/2 and the calculation time of equations (1) and (2) above is as shown in FIG. Since the outward stroke of vibration No. 14 is the measurement time and the backward stroke is the calculation time, real-time measurement of surface roughness is possible. A specific example will be explained.

対物レンズとして100倍の高倍率のものを用い
ることにより、測定面分解能0.5μm、表面粗さ測
定精度1nmが得られた。また、高速デジタル演
算回路を用いることにより、測定範囲2mmの表面
粗さを4秒以下で測定、演算することができた。
By using an objective lens with a high magnification of 100 times, a measurement surface resolution of 0.5 μm and a surface roughness measurement accuracy of 1 nm were obtained. Furthermore, by using a high-speed digital calculation circuit, it was possible to measure and calculate surface roughness within a measurement range of 2 mm in less than 4 seconds.

以上説明した実施例によれば、参照ミラ13を
ピエゾ素子14によつて高速駆動し、信号処理回
路により前記(1)式(もしくは(2)式)の演算を行な
わせるようにしたので、外来振動の影響を受ける
ことなく非接触で高精度に、しかもリアルタイム
で表面粗さを測定することができるという効果が
ある。また、干渉縞の光強度の変化が最大となる
ところ、すなわち∂Vi/∂t,∂Vi+1/∂tが最大
となるところで位相差δtを検出するようにしたの
で、測定精度がきわめてよいという効果がある。
さらに、参照ミラ13側の対物レンズ12−1の
倍率を測定物15側の対物レンズ12−2の倍率
よりも低倍率にし開口数NAを落とすことにより
参照ミラ13の表面粗さが多少悪くても、見かけ
上完全鏡面に近いものとして取扱うことができる
ので、高精度な表面粗さの測定が可能になるとい
う利点もある。
According to the embodiment described above, the reference mirror 13 is driven at high speed by the piezo element 14, and the signal processing circuit is made to perform the calculation of the above formula (1) (or formula (2)). The effect is that surface roughness can be measured non-contact, highly accurately, and in real time without being affected by vibrations. In addition, since the phase difference δt is detected where the change in the light intensity of the interference fringes is maximum, that is, where ∂Vi/∂t and ∂Vi+1/∂t are maximum, the measurement accuracy is extremely high. There is.
Furthermore, by setting the magnification of the objective lens 12-1 on the side of the reference mirror 13 to be lower than the magnification of the objective lens 12-2 on the side of the object to be measured 15 and lowering the numerical aperture NA, the surface roughness of the reference mirror 13 is slightly deteriorated. It also has the advantage that it can be treated as a surface that appears to be close to a perfect mirror surface, making it possible to measure surface roughness with high precision.

なお、本実施例においては、コンパレータの基
準値を、バンドパスフイルタ28−1,28−2
出力のOVを用いて設定するようにしたが、第1
1図に示すように、ピーク値検出回路などにより
Inac,Inioを検出し、その平均値(Inac+Inio)/
2を基準値として用いてもよい。
In this embodiment, the reference value of the comparator is set to the bandpass filters 28-1 and 28-2.
I tried to set it using the output OV, but the first
As shown in Figure 1, the peak value detection circuit etc.
Detect I nac and I nio and calculate the average value (I nac + I nio )/
2 may be used as the reference value.

また、位相差δtを検出する個所は、∂Vi/∂t,
∂Vi+1/∂tが必ずしも最大となるところでなく
ても、その近傍であればよい。
Also, the location where the phase difference δ t is detected is ∂Vi/∂t,
∂Vi+1/∂t does not necessarily have to be the maximum value, but may be in the vicinity thereof.

さらに、対物レンズ12−1,12−2の倍率
は同倍率であつてもよく、また、対物レンズ12
−1,12−2を取除いても低倍率の干渉縞測定
ができることは言うまでもない。
Furthermore, the magnifications of the objective lenses 12-1 and 12-2 may be the same;
It goes without saying that even if -1 and 12-2 are removed, interference fringes can be measured at low magnification.

さらにまた、第1図に破線で示すように、λ/
4板23、検光子(偏光板)24を挿入すれば、
平面偏光レーザ光源を用いて、測定物15と参照
ミラ13の反射率が異なる場合にもコントラスト
の良い干渉縞を得ることができる。
Furthermore, as shown by the broken line in FIG.
If you insert the 4-plate 23 and analyzer (polarizing plate) 24,
By using a plane polarized laser light source, interference fringes with good contrast can be obtained even when the reflectance of the measurement object 15 and the reference mirror 13 are different.

最後に、本実施例においては、表面粗さをリア
ルタイムで測定するようにしたが、測定中には演
算を行なわず、D(δt)、D(T/2)のデータを
メモリに記憶させておき、測定終了後にまとめて
演算させ、Voutを出力させることもできる。
Finally, in this example, the surface roughness was measured in real time, but no calculations were performed during the measurement, and the data of D(δ t ) and D(T/2) were stored in the memory. It is also possible to set the values in advance, perform calculations all together after the measurement is completed, and output Vout.

次に、他の実施例を説明する。 Next, another embodiment will be described.

第12図は、本発明の他の実施例に係る光学式
表面粗さ計の要部を示す略示図である。
FIG. 12 is a schematic diagram showing the main parts of an optical surface roughness meter according to another embodiment of the present invention.

前記第1図に係る実施例では、ピエゾ素子14
を用いて光路長を高速に変化せしめるようにした
が、この実施例は参照ミラ6を励磁コイル8で加
振される音叉7に取付けて、対物レンズ12−1
に入射させる光3−1を反射させることにより光
路長を変化させるようにしたものである。
In the embodiment according to FIG. 1, the piezo element 14
However, in this embodiment, the reference mirror 6 is attached to the tuning fork 7 which is excited by the excitation coil 8, and the objective lens 12-1 is
The optical path length is changed by reflecting the light 3-1 that is incident on the light 3-1.

このように構成しても、前記第1図に係る実施
例と同様の効果を奏するものである。
Even with this configuration, the same effects as the embodiment shown in FIG. 1 can be obtained.

〔発明の効果〕〔Effect of the invention〕

以上詳細に説明したように本発明によれば、外
来振動の影響を受けることなく、非接触で高精度
に、しかもリアルタイムで表面粗さの測定を可能
にする光学式表面粗さ計を実現することができる
効果を奏する。
As explained in detail above, according to the present invention, it is possible to realize an optical surface roughness meter that can measure surface roughness non-contact, highly accurately, and in real time without being affected by external vibrations. It has the effect that it can.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は、本発明の一実施例に係る光学式表面
粗さ計を示す略示図、第2図は、従来の干渉縞測
定方法を説明するための要部断面図、第3図は、
第2図に係る測定方法で観察した干渉縞模様図、
第4図は、第3図に係る干渉縞の理想的な明暗の
時間的変化図、第5図は、第3図に係る干渉縞の
明暗におよぼす外来振動の影響図第6図は、第1
図における多画素イメージセンサの信号処理回路
図、第7図は、第1図における多画素イメージセ
ンサの一素子に結像される干渉縞の出力を模式的
に示す出力特性図、第8図は、第6図におけるバ
ンドバスフイルタ通過後の出力図、第9図は、第
6図におけるコンパレータ通過後の出力図、第1
0図は、第6図におけるピエゾ素子の振動波形
図、第11図は、コンパレータの基準値の他の例
を示す波形図、第12図は、本発明の他の実施例
に係る光学式表面粗さ計の要部を示す略示図であ
る。 3−2……反射光、6……参照ミラ、7……音
叉、8……励磁コイル、12−1,12−2……
対物レンズ、13……参照ミラ、14……ピエゾ
素子、15……測定物、22……多画素イメージ
センサ、25……アナログマルチプレクサ、26
−1,26−2……アンプ、28−1,28−2
……バンドバスフイルタ、30−1,30−2…
…基準値設定部、31−1,31−2……コンパ
レータ、32……論理演算回路、33……デジタ
ル演算回路、35……メモリ、36……減算回
路、37……DA変換器、δt……光強度の変化の
位相差、T……光強度の明暗の周期。
FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical surface roughness meter according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of main parts for explaining a conventional interference fringe measurement method, and FIG. ,
An interference fringe pattern diagram observed by the measurement method according to FIG. 2,
FIG. 4 is a diagram of the ideal brightness and darkness of the interference fringes shown in FIG. 1
FIG. 7 is an output characteristic diagram schematically showing the output of interference fringes imaged on one element of the multi-pixel image sensor in FIG. 1, and FIG. 8 is a signal processing circuit diagram of the multi-pixel image sensor in the figure. , the output diagram after passing through the bandpass filter in FIG. 6, FIG. 9 is the output diagram after passing through the comparator in FIG.
0 is a vibration waveform diagram of the piezo element in FIG. 6, FIG. 11 is a waveform diagram showing another example of the reference value of the comparator, and FIG. 12 is an optical surface diagram according to another embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing the main parts of a roughness meter. 3-2... Reflected light, 6... Reference mirror, 7... Tuning fork, 8... Excitation coil, 12-1, 12-2...
Objective lens, 13...Reference mirror, 14...Piezo element, 15...Measurement object, 22...Multi-pixel image sensor, 25...Analog multiplexer, 26
-1, 26-2...Amplifier, 28-1, 28-2
...Band bus filter, 30-1, 30-2...
... Reference value setting section, 31-1, 31-2 ... Comparator, 32 ... Logical operation circuit, 33 ... Digital operation circuit, 35 ... Memory, 36 ... Subtraction circuit, 37 ... DA converter, δ t ...Phase difference in changes in light intensity, T...period of light and darkness in light intensity.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 参照ミラと測定物との各々に垂直に単一波長
の可干渉光を照射させる可干渉光照射光学系と、
前記参照ミラを、外来振動の振動周波数より高い
周波数で光軸方向に一次元に振動させる振動付与
手段と、該振動付与手段で振動し、且つ前記可干
渉光照射光学系によつて照射された参照ミラから
の反射光と前記可干渉光照射光学系によつて照射
された測定物からの反射光との干渉によつて生じ
る干渉縞の光像を検出する検出光学系と、該検出
光学系で検出された干渉縞の光像を受光して画素
毎に周期性を有する信号に変換して出力する多画
素イメージセンサと、前記参照ミラの振動にとも
なつて前記多画素イメージセンサの各画素から出
力される周期性を有する信号から基本周波数成分
の信号を抽出し、この抽出された基本周波数成分
の信号についての多画素イメージセンサにおける
隣接する画素間の位相差δtを測定物の表面に亘つ
て検出し、該測定物の表面に亘つて検出される位
相差δtについて、δt/T×λ/2の関係式(Tは
前記基本周波数成分の信号の周期、λは前記可干
渉光の波長)に基づく演算を施して測定物の表面
粗さを測定する演算処理手段とを備えたことを特
徴とする光学式表面粗さ計。 2 前記可干渉光照射光学系及び検出光学系にお
いて、参照ミラ及び測定物の前にそれぞれ対物レ
ンズを設置したことを特徴とする特許請求の範囲
第1項記載の光学式表面粗さ計。 3 前記対物レンズの前に設置した対物レンズの
倍率を、測定物の前に設置した対物レンズの倍率
より低倍率にしたことを特徴とする特許請求の範
囲第2項記載の光学式表面粗さ計。 4 前記演算処理手段は、位相差δtを、前記基本
周波数成分の信号の変化率が大きな個所で検出す
るように構成したことを特徴とする特許請求の範
囲第1項記載の光学式表面粗さ計。
[Claims] 1. A coherent light irradiation optical system that irradiates coherent light of a single wavelength perpendicularly to each of a reference mirror and a measurement object;
a vibration imparting means for one-dimensionally vibrating the reference mirror in the optical axis direction at a frequency higher than the vibration frequency of the external vibration; a detection optical system that detects an optical image of interference fringes caused by interference between the reflected light from the reference mirror and the reflected light from the measurement object irradiated by the coherent light irradiation optical system; and the detection optical system. a multi-pixel image sensor that receives an optical image of interference fringes detected by a pixel, converts it into a signal having periodicity for each pixel, and outputs the signal; and as the reference mirror vibrates, each pixel of the multi-pixel image sensor The fundamental frequency component signal is extracted from the periodic signal output from the signal, and the phase difference δt between adjacent pixels in the multi-pixel image sensor for this extracted fundamental frequency component signal is calculated over the surface of the measured object. Regarding the phase difference δt detected over the surface of the object to be measured, the relational expression δt/T×λ/2 (T is the period of the signal of the fundamental frequency component, λ is the wavelength of the coherent light 1. An optical surface roughness meter characterized by comprising: arithmetic processing means for measuring the surface roughness of an object to be measured by performing arithmetic operations based on the following. 2. The optical surface roughness meter according to claim 1, wherein in the coherent light irradiation optical system and the detection optical system, objective lenses are installed in front of the reference mirror and the object to be measured, respectively. 3. Optical surface roughness according to claim 2, characterized in that the magnification of the objective lens installed in front of the objective lens is lower than the magnification of the objective lens installed in front of the object to be measured. Total. 4. The optical surface roughness according to claim 1, wherein the arithmetic processing means is configured to detect the phase difference δt at a location where the rate of change of the signal of the fundamental frequency component is large. Total.
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